Die Visualisierung und Quantifizierung von Flüssigwasseransammlungen in Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen konnte mittels Neutronenradiographie erreicht werden. Dank dieser neuartigen diagnostischen Methode konnte erstmals die Flüssigwasseransammlung in den porösen Gasdiffusionsschichten direkt nachgewiesen und quantifiziert werden. Die Kombination von Neutronenradiographie mit ortsaufgelösten Stromdichtemessungen bzw. lokaler Impedanzspektroskopie erlaubte die Korrelation des inhomogenen Flüssigwasseranfalls mit dem lokalen elektrochemischen Leistungsverhalten. Systematische Untersuchungen an Polymerelektrolyt- und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen verdeutlichen sowohl den Einfluss von Betriebsbedingungen als auch die Auswirkung von Materialeigenschaften auf die Ausbildung zweiphasiger Strömungen.

Mittels Konzeptauswahlmethoden werden die leitradlose konstante Radialturbine und die teilbeaufschlagte Turbine als favorisierte Turbinenkonzepte für Brennstoffzellensysteme identifiziert, da sie einen guten Kompromiss der zuvor ermittelten Systemanforderungen (in Kap. 3) ermöglichen. Aus den Ergebnissen der Systemsimulation geht hervor, dass im Fall einer konstanten Radialturbine eine aktive Druckregelung mit einem Ventilsystem am Austritt der Turbine notwendig ist, um die geforderte Anforderung hinsichtlich der Ansprechzeit zu erfüllen. Aufgrund der geringeren Sensitivität zwischen Verteilervolumen und minimaler Ansprechzeit des Systems ist eine Anwendung auch für Systeme mit einer höheren Anzahl an Brennstoffzellen möglich. Die Ergebnisse der Untersuchungen mit der teilbeaufschlagten Turbine zeigen, dass die geforderte Ansprechzeit mit 25% Beaufschlagungsgrad im Vollastpunkt möglich ist, was jedoch zu deutlich schlechteren Turbinenwirkungsgraden führt als im Fall einer konstanten Radialturbine. Da sich das Konzept der leidradlosen konstanten Radialturbine sowohl im Rahmen der Konzeptevaluation als auch anhand der durchgeführten Systemsimulationen als vielversprechend erweist, wird es für die nächsten Auslegungsschritte in Abb. 2 verwendet. In zukünftigen Arbeiten werden zusätzlich dazu alternative Möglichkeiten zur Teilbeaufschlagung entwickelt, welche einen höheren Wirkungsgrad im Volllastbetriebspunkt ermöglichen.

Brennstoffzellentechnologien gelten als effizient, lokal CO2-neutral und können vielfältig eingesetzt werden. Dennoch stellen sie bislang keine kostengünstige Lösung dar und kommen in PKW selten vor. Um Entwicklungs- und Produktionskosten zu reduzieren und gleichzeitig eine höhere Systemsichtbarkeit zu erreichen, widmen sich die Autoren der Erstellung eines Modularisierungskonzepts für ein Brennstoffzellensystem zu dessen Nutzung in verschiedenen Anwendungen. Ziel ist es, ein modulares Brennstoffzellensystemkonzept zu entwickeln, das den Anforderungen aus der Kopplung verschiedener Anwendungsszenarien gerecht wird. Unter Berücksichtigung der Bauraumanforderungen sowie mechanischer und elektrischer Schnittstellen zwischen den Modulen und den Anwendungen wird ein Design für das Integrationskonzept des modularen Brennstoffzellensystems vorgeschlagen. Der Target Weighing Ansatz (TWA) wird herangezogen, um Leichtbaupotenziale auf Systemebene zu erkennen und zu bewerten. Zur Optimierung ausgewählter Komponenten wird die Methode der Topologieoptimierung angewandt, um bei gegebener Massenreduktion die Steifigkeit zu maximieren. Thermische Simulationen zeigen zudem die Wärmeabfuhr der Brennstoffzellen aus dem System unter Last. / Fuel cell technologies are considered efficient, locally CO2-neutral and can be used in a variety of ways. Nevertheless, they have not yet been a cost-effective solution and are rarely used in passenger cars. In order to reduce development and production costs and at the same time to achieve higher system visibility, the authors are dedicated to the creation of a modularization concept for a fuel cell system for its use in various applications. The aim is to develop a modular fuel cell system concept that meets the requirements arising from the coupling of different application scenarios. Considering the installation space requirements as well as me-chanical and electrical interfaces between the modules and the applications, a design for the integration concept of the modular fuel cell system is proposed. The Target Weighing Approach (TWA) is used to identify and evaluate lightweighting potentials on system level. The topology optimization method is applied to optimize selected components to maximize stiffness for a given mass reduction. Thermal simulations also show the heat dissipation of the fuel cells from the system under load.

Despite the rapid growth of compute power in the last decades, the full-fledged, 3D mathematical models of fuel cells are not a viable option when it comes to applications requiring real-time capability; on the other hand, the current crop of 1D models apply boundary conditions pertinent merely to a single point in the cell – to provide data for effective fuel cell system design, a balance needs to be struck. The predictive power of a lower dimensionality fuel cell model can provide a reasonably detailed and accurate assessment and tracking of the fuel cell state and cater data to model-based control algorithms or define requirements for the selection of balance of plant components. To cover a wide parametric space and allow a rapid generation of the corresponding fuel cell system states, a combination of two 1D stationary models (a pseudo-2D model) has been chosen. One model defines the inlet conditions and tracks their evolution along a gas flow channel in a bipolar plate, while the second model (in our case the MMM1D published by Vetter and Schumacher) solves the evolving boundary-value problem throughout the membrane-electrode assembly (MEA) and calculates the fluxes of species, heat and charge exchanged between the gas flow channel and the MEA. Because the most significant changes in the media state (temperature, pressure, composition and flow rate) occur at the cell level, the model can estimate stack outlet conditions from the inlet conditions, extending the cell level model to a fuel cell system context. The results obtained for several operating points are used to discuss the choice of some system components.

Zielstellung Gesamtziel der Promotionsarbeit “Neuartige Nanokompositmaterialien für zukünftige elekt-rochemische Energiespeicher” war die Entwicklung und Erprobung innovativer, nanostruktu-rierter Festelektrolytmaterialien für die elektrochemische Energieumwandlung und -speicherung. Die zu entwickelnden Materialsysteme sollten bereits bei Temperaturen unter 700 °C eine höhere Ionenleitfähigkeit als der reinphasige Festelektrolyt aufweisen und damit eine effektivere, umweltfreundlichere Nutzung von Elektroenergie ermöglichen. Experimentelles Gemäß der höheren Leitfähigkeit der Korngrenzen zwischen Elektrolyt und Isolator, ein 3D-Modell eines idealisierten zweiphasigen Kompositmaterials wurde designt. Dafür wurde Ga-dolinium-dotiertem Ceroxid (GDC) wegen seiner hohen ionischen Leitfähigkeit und niedrigen elektrischen Leitfähigkeit als Elektrolyt und Magnesiumoxid- (MgO) als Ioslator ausgewählt. Zunächst wurden sowohl GDC- als auch MgO-Nanopartikel mit unterschiedlichen Synthese-methoden hergestellt. Dazu wurden in dieser Arbeit drei Synthesemethoden untersucht:  Methode 1: “Ausfällung von Mg(OH)2 und thermische Zersetzung zu MgO” für die Synthese der MgO-Nanopartikel,  Methode 2: “Carbonat-Copräzipitationsverfahren” für die Synthese der GDC-Nanopartikel und  Methode 3: “Self-propagating high-temperature synthesis” (SHS) für die Synthese der MgO-Nanopartikel, der GDC-Nanopartikel und der Mischung von GDC- und MgO-Nanopartikeln. Nach der Synthese wurden die Proben gesintert. In dieser Arbeit wurde zunächst die klassi-sche Sintermethode angewendet. Die Proben wurden in einem Kammerofen bei verschiede-nen Temperaturen gesintert. Dann wurde die neue Sintermethode Field Assisted Sintering Technology (FAST) / Spark Plasma Sintering (SPS) erprobt. Realisierte Ergebnisse Keramische Kompositmaterialien auf der Basis von Sauerstoffionen-leitendem Gadolinium-dotiertem Ceroxid- (GDC) und Magnesiumoxid- (MgO) Nanopartikeln wurden mit verschie-denen Präparationsmethoden synthetisiert. Deren Struktur und Eigenschaften wurden mit-tels Röntgendiffraktometrie und Elektronenmikroskopie sowie elektrochemischen Messme-thoden umfassend aufgeklärt und charakterisiert. Wichtigstes Teilergebnis der Arbeit ist die erfolgreiche Entwicklung geeigneter Verfahren zur Synthese und Sinterung der Nanopartikel. Mittels der Synthesemethode SHS ist es erstmals gelungen, Mischungen von GDC- und MgO-Nanopartikeln herzustellen, die folgende erfolgversprechende Eigenschaften haben: passen-de Partikelgrößen (10 bis 20 nm) für beide Materialien, eine enge Partikelgrößenverteilung, geringe Aggregation und gute Homogenität der beiden Komponenten. Mit einem optimier-ten FAST / SPS-Verfahren konnten die auf diese Weise gemischten Pulver ohne wesentliche Partikelvergrößerung mit der gewünschten Größe und hohen Anzahl an Korngrenzen der Nanopartikel gesintert werden. Derart hergestellte Materialproben wiesen im Vergleich zu dem herkömmlich präparierten Festelektrolyt mit größeren Körnern eine ca. 10-fach höhere Leitfähigkeit auf.:Abkürzungsverzeichnis Vorwort Erklärung 1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Festelektrolyt 2.1.1 Bekannte Festelektrolytmaterialien 2.1.2 Gadolinium-dotiertes Ceroxid (GDC) 2.1.2.1 Cerdioxid 2.1.2.2 Dotiertes Cerdioxid 2.1.3 Kompositmaterial 2.2 Festelektrolyt-Brennstoffzelle (SOFC) 2.2.1 Brennstoffzelle 2.2.2 Festelektrolyt-Brennstoffzelle 3 Zielstellung und Lösungsweg 4 Experimentelles 4.1 Synthesemethoden 4.2 Sintermethoden 4.3 Analysemethoden 4.3.1 Thermogravimetrische Analyse 4.3.2 Röntgen-Diffraktometrie 4.3.3 Rasterelektronenmikroskopie 4.3.4 Transmissionselektronenmikroskopie 4.3.5 Impedanzspektroskopie 5 Ergebnisse und Diskussion 5.1 Ergebnisse und Diskussion der Synthesen 5.1.1 Synthese der MgO-Nanopartikel 5.1.1.1 Ausfällung von Mg(OH)2 und thermische Zersetzung zu MgO 5.1.1.2 Self-propagating high-temperature synthesis (SHS) von MgO 5.1.2 Synthese der GDC-Nanopartikel 5.1.2.1 Carbonat-Copräzipitationsverfahren 5.1.2.2 Self-propagating high-temperature synthesis (SHS) von GDC 5.1.3 Synthese der Mischung von GDC- und MgO-Nanopartikeln 5.1.3.1 Mischen der beiden Sole 5.1.3.2 Mischen der beiden Nassgele mit Labormixer 5.1.3.3 Mischen der beiden Nassgele mit Ultraschallfinger 5.1.3.4 Mischen von GDC-Nassgel und Ausgangssubstanzen des MgO 5.1.3.5 Mischen von MgO-Nassgel und den Ausgangssubstanzen des GDC 5.1.4 Zusammenfassung der Synthesen 5.2 Ergebnisse und Diskussion des Sinterns 5.2.1 Klassische Sintermethode 5.2.2 Field Assisted Sintering Technology (FAST) 5.2.2.1 Sintern der GDC-Proben mittels der FAST-Methode 5.2.2.2 Sintern der Komposit-Proben mittels der FAST-Methode 5.2.3 Zusammenfassung der Sinterergebnisse 5.3 Strukturelle Untersuchungen 5.3.1 Thermogravimetrische Analyse 5.3.2 Röntgen-Diffraktometrie 5.3.3 Elektronenmikroskopische Untersuchungen 5.3.3.1 Elektronenmikroskop-Aufnahmen von MgO-Nanopartikeln 5.3.3.2 Elektronenmikroskop-Aufnahmen von GDC-Nanopartikeln 5.3.3.3 Elektronenmikroskop-Aufnahmen von gemischten GDC-MgO-Nanopartikeln 5.3.3.4 Elektronenmikroskopische Untersuchungen an klassisch gesinterten Proben 5.3.3.5 Elektronenmikroskop-Aufnahmen von mittels FAST gesinterten GDC-Proben 5.3.3.6 Elektronenmikroskopische Untersuchungen an mittels FAST gesinterten Komposit-Proben 5.4 Elektrochemische Untersuchungen 5.4.1 Aufbau des Messgerätes 5.4.2 Impedanzmessungen 5.4.2.1 Vorbereitung der Proben 5.4.2.2 Auswertung der Impedanzspekten 5.4.2.3 Vergleich von FAST- und klassisch gesinterten Proben 5.4.2.4 Untersuchung der Abhängigkeit vom Gasfluss 5.4.2.5 Bestimmung der Korngrenzen-Leitfähigkeiten der mittels FAST gesinterten Proben 5.4.2.6 Vergleich der eigenen Messungen mit Literaturangaben 5.4.2.7 Schlussfolgerung aus den Impedanzmessungen 5.5 Alterungsuntersuchungen 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Zusammenfassung 6.2 Ausblick Literaturverzeichnis Publikationen Poster Danksagung Anhang Chemikalienliste

Die Veröffentlichung „Schwere Nutzfahrzeuge – Standards und Normen für alternative Antriebe“ der NPM AG6 analysiert den aktuellen Stand der Normung und Standardisierung im Bereich alternativer Antriebssysteme für schwere Nutzfahrzeuge und formuliert auf dieser Basis Empfehlungen an die Normungsgremien und politischen Handlungsträger. Betrachtet werden nur die Antriebstechnologien, die von den Arbeitsgruppen der NPM als Zukunftstechnologien definiert wurden. Es wird in diesem Zusammenhang keine Bewertung dieser Zukunftstechnologien vorgenommen, sondern ausschließlich der Status der Normungsarbeiten und eventuell bestehende Lücken aufgezeigt. Die betrachteten alternativen Antriebstechnologien sind die folgenden: Oberleitungs-Lkw, NFZ mit BZ-Systemen, batterieelektrische NFZ (mit Megawatt Charging System [MCS]) und strombasierte Kraftstoffe. Für die Oberleitungs-Lkw und die batterieelektrisch betriebenen Nutzfahrzeuge gibt es bereits ein umfangreiches Normenwerk, das kontinuierlich an den aktuellen Stand der Technik und an die besonderen Herausforderungen von Nutzfahrzeugen angepasst werden muss. Für mit einem BZ-System betriebene NFZ sind fahrzeugseitig ebenfalls die nötigen normativen Grundlagen bereits geschaffen. Das Normenwerk für die Betankungsschnittstellen muss geprüft und im Bedarfsfalle für höhere Drücke oder flüssigen Wasserstoff angepasst werden. Der Handlungsbedarf bei strombasierten Kraftstoffen und Wasserstoff wird derzeit durch die bestehenden Normungsgremien adressiert. Allgemein lässt sich festhalten, dass im Vergleich zu früher, die Normungsarbeit heute die nötigen Schnittstellen und die grundsätzlichen Anforderungen praktisch vor oder zeitgleich mit der Entwicklung und der Markteinführung durchgeführt werden muss. Umso entscheidender wird es in Zukunft sein, die Normungsgremien mit den dafür notwendigen Kapazitäten und Mitteln auszustatten.:Kurzfassung Executive Summary 1 Einleitung 2 Schwere Nutzfahrzeuge als besondere Herausforderung 3 Verfügbare und Betrachtete Technologien 4 Stand der Normen 4.1 Betrachtungsumfang 4.2 Oberleitungs-Lkw 4.3 Nutzfahrzeuge mit Brennstoffzelle 4.4 Batterieelektrische NFZ mit Megawatt Charging System (MCS) 4.5 Strombasierte Kraftstoffe: Wasserstoff und synthetische Folgeprodukte 5 Fazit Impressum / Based on an analysis of the current state of standardisation and norms related to alternative drive systems for heavy commercial vehicles, the publication “Heavy commercial vehicles – standards and norms for alternative drive systems” by the NPM’s WG6 contains recommendations for standardisation bodies and political actors. Only drive technologies which were deemed to be technologies of the future by the NPM’s working groups are being given consideration. In this context, the technologies are not evaluated as such, but the current state of standardisation work and potential gaps are demonstrated. The following alternative drive technologies form part of the publication: overhead line HGVs, commercial vehicles with fuel cell systems, battery-electric commercial vehicles (with Megawatt Charging System (MCS)) and electricity-based fuels. A comprehensive body of norms is already available for overhead line HGVs and battery-electric commercial vehicles. These norms need to be continuously amended to take into account the state of the art and the particular challenges posed by commercial vehicles. The necessary normative basis for commercial vehicles powered by fuel cell systems has also been established as far as vehicles are concerned. The normative body for fuelling interfaces needs to be checked and if necessary adapted to allow for higher pressure or for hydrogen. The to-do-list for electricity-based fuels and hydrogen is currently being addressed by the existing standardisation bodies. It is to be noted that in general, today’s standardisation work in terms of the necessary interfaces and basic requirements needs to be carried out prior to or simultaneously with their development and market launch. In future, it will be all the more important to provide standardisation bodies with the necessary capacities and funds.:Kurzfassung Executive Summary 1 Einleitung 2 Schwere Nutzfahrzeuge als besondere Herausforderung 3 Verfügbare und Betrachtete Technologien 4 Stand der Normen 4.1 Betrachtungsumfang 4.2 Oberleitungs-Lkw 4.3 Nutzfahrzeuge mit Brennstoffzelle 4.4 Batterieelektrische NFZ mit Megawatt Charging System (MCS) 4.5 Strombasierte Kraftstoffe: Wasserstoff und synthetische Folgeprodukte 5 Fazit Impressum

Mit der vorliegenden Arbeit soll ein Beitrag zur ganzheitlichen Betrachtung eines erdgasbetriebenen Brennstoffzellen-Heizgerätes mit PEMFC und Autothermer Reformierung zur Kraft-Wärme-Kopplung im Einfamilienhaus geleistet werden. Wesentliches Ziel besteht in der Entwicklung und Anwendung eines BZH-Modells im Leistungsbereich bis 10 kWel das die thermischen und elektrischen Betriebsverhältnisse bei dynamischer Arbeitsweise insbesondere in Kopplung mit einem Spitzenlastkessel mit hinreichender Genauigkeit beschreibt. Auf Basis der gekoppelten Simulation von Gebäude und Anlagentechnik unter Berücksichtigung von Nutzereinflüssen werden umfassende Untersuchungen zum Betriebsverhalten und zur optimalen Dimensionierung von BZHs durchgeführt und nach energetischen, wirtschaftlichen und ökologischen Gesichtspunkten bewertet. Die Untersuchung ergab folgende wesentliche Resultate: Gegenüber modernen Energieumwandlungstechnologien mit Brennwertgeräten zur hocheffzienten Wärmeversorgung und GuD-Grundlastkraftwerken zur Bereitstellung elektrischen Stromes erzielt die KWK-Nutzung mit Brennstoffzellen primärenergetische Einsparpotenziale bis zu 21%. Bereits bei niedriger BZH-Auslegung (auf den mittleren elektrischen Haushaltsbedarf)wird deren Energiebedarf um ca. 3% unterschritten. Günstige BZH-Dimensionierungen für den Einsatz im Einfamilienhaus liegen zwischen Pel=1,0 ... 2,0 kW (QBZH=2,5 ... 4,6 kW) in Verbindung mit einem BW-Spitzenlastkessel. Mit der BZH-Bemessung auf die maximale Heizlast (Gebäudewärmebedarf und TWE) sind die niedrigsten primärenergetischen Aufwendungen zu erreichen. Oberhalb dieser Dimensionierung sind keine weiteren Einsparungen zu erwarten. Während separat betrachtet die elektrischen und thermischen Effizienzen von BZ-KWK-Anlagen vergleichsweise niedrig sind, spielt die gekoppelte Erzeugung verbunden mit hohen Gesamtnutzungsgraden die entscheidende Rolle. Mit dem generierten elektrischen BZ-Strom wird der mit höheren Abwärmeverlusten erzeugte Kraftwerksstrom ersetzt. Dieser Vorteil der Kraft-Wärme-Kopplung mit Brennstoffzellen im Wohngebäude kommt nur bei der Nutzung von elektrischer und thermischer Energie zum Tragen. Bei nichtintermittierendem Betrieb fällt Überschusswärme an, die an die Umgebung abzuführen ist. Außerhalb der Heizperiode stellen sich somit energetische Mehraufwendungen im Vergleich zum wärmegeführten Betrieb ein. In der Kombination von BZ-Technik und Spitzenlastkessel sind lange BZH-Betriebszeiten zu garantieren. Diesbezüglich ist die Regelung zur Trinkwasser-Erwärmung - insbesondere in den Sommermonaten - zum optimalen Betrieb ausschlaggebend. Die teilweise Deckung des Haushaltsstrombedarfs und der Verkauf elektrischer Arbeit senken gegenüber dem konventionellen Energiebezug maßgeblich die Betriebskosten. Durch geltende BZ-Fördermaßnahmen werden per se jährliche Energiekosten gespart. Diese Einsparungen können zur mittelfristigen Refinanzierung der vergleichsweise teureren Anlagenkosten beitragen. Auf Basis der Betriebskosten-Einsparung gegenüber konventioneller Technik sind die Grenzkosten der BZH-Investition für den wärmegeführten, intermittierenden Betrieb abschätzbar. Unter Annahme einer BZ-Stack-Lebensdauer von einem Jahr beträgt die maximale Investition bei einer elektrischen BZH-Nettoleistung von beispielsweise Pel=1,0 kW rund I0,BZH=1066 EUR.

In this thesis extensions to the formalism of endoreversible thermodynamics for multi-extensity fluxes and chemical reactions are introduced. These extensions make it possible to model a great variety of systems which could not be investigated with standard endoreversible thermodynamics. Multi-extensity fluxes are important when studying processes with matter fluxes or processes in which volume and entropy are exchanged between subsystems. For including reversible as well as irreversible chemical reaction processes a new type of subsystems is introduced - the so called reactor. It is similar to endoreversible engines, because the fluxes connected to it are balanced. The difference appears in the balance equations for particle numbers, which contain production or destruction terms, and in the possible entropy production in the reactor. Both extensions are then applied to an endoreversible fuel cell model. The chemical reactions in the anode and cathode of the fuel cell are included with the newly introduced subsystem -- the reactor. For the transport of the reactants and products as well as the proton transport through the electrolyte membrane, the multi-extensity fluxes are used. This fuel cell model is then used to calculate power output, efficiency and cell voltage of a fuel cell with irreversibilities in the proton and electron transport. It directly connects the pressure and temperature dependencies of the cell voltage with the dissipation due to membrane resistance. Additionally, beside the listed performance measures it is possible to quantify and localize the entropy production and dissipated heat with only this one model. / In dieser Arbeit erweitere ich den Formalismus der endoreversiblen Thermodynamik, um Flüsse mit mehr als einer extensiven Größe sowie chemische Reaktionsprozesse modellieren zu können. Mit Hilfe dieser Erweiterungen eröffnen sich zahlreiche neue Anwendungsmöglichkeiten für endoreversible Modelle. Flüsse mit mehreren extensiven Größen sind für die Betrachtung von Masseströmen ebenso nötig wie für Prozesse, bei denen sowohl Volumen als auch Entropie zwischen zwei Teilsystem ausgetauscht werden. Für sowohl reversibel wie auch irreversibel geführte chemische Reaktionsprozesse wird ein neues Teilsystem - der "Reaktor" - vorgestellt, welches sich ähnlich wie endoreversible Maschinen durch Bilanzgleichungen auszeichnet. Der Unterschied zu den Maschinen besteht in den Produktions- bzw. Vernichtungstermen in den Teilchenzahlbilanzen sowie der möglichen Entropieproduktion innerhalb des Reaktors. Beide Erweiterungen finden dann in einem endoreversiblen Modell einer Brennstoffzelle Anwendung. Dabei werden Flüsse mehrerer gekoppelter Extensitäten für den Zustrom von Wasserstoff und Sauerstoff sowie für den Protonentransport durch die Elektrolytmembran benötigt. Chemische Reaktionen treten in der Anode und Kathode der Brennstoffzelle auf. Diese werden mit dem neu eingeführten Teilsystem, dem Reaktor, eingebunden. Mit Hilfe des Modells werden dann Wirkungsgrad, Zellspannung und Leistung einer Brennstoffzelle unter Berücksichtigung der Partialdrücke der Substanzen, der Temperatur sowie der Dissipation beim Protonentransport berechnet. Dabei zeigt sich, dass experimentelle Daten für die Zellspannung sowohl qualitativ als auch näherungsweise quantitativ durch das Modell abgebildet werden können. Der Vorteil des endoreversiblen Modells liegt dabei in der Möglichkeit, mit nur einem Modell neben den genannten Kenngrößen auch die abgegebene Wärme sowie die Entropieproduktion zu quantifizieren und den einzelnen Teilprozessen zuzuordnen.

The assessment of performance for PEM Fuel Cells (PEMFC) at the stack, Single Repeating Unit (SRU), and Membrane Electrode Assembly (MEA) level is dominated by the evaluation of polarization curves. However, polarization curves do not provide adequate detail as to the origin of the inefficiencies of the fuel cell performance and information on these sources of origin are critical to understand and address topics such as material selection, optimal operating conditions, and overall robust and reliable cell and stack design characteristics. To the purpose of understanding the origin of the inefficiencies underlying the fuel cell polarization curve a series of additional experimental and analysis techniques must be applied and from the resultant data the origin of the inefficiencies can then be assigned to kinetic, ohmic, and mass transport loss categorizations. Further, through a combination of the diagnostic methods further resolution can be implied down to the contribution of the individual components to the relative voltage loss categories. In this topic, a methodology will be presented and discussed that achieves and demonstrates this process.

An EU-funded project Fit-4-AMandA aims to establish a technological roadmap to scale-up from less than hundred stacks/year (manual assembly) to 50,000 stacks/year (automated assembly) in 2020 and beyond. Existing membrane-electrode assembly (MEA) and stack were redesigned/adapted for manufacturability and automation. The technology and machine system for the automated assembly of polymer-electrolyte-membrane fuel cell (PEMFC) stacks were developed, manufactured and are currently being tested. Fast in-line non-destructive quality-assurance methods for automated production of MEAs and stack assembly are being developed and implemented. For the final period of the project, a validation of the designs, hardware, tools and software for the automated production of MEAs and stack assembly as well as an integration of one of the prototype stacks manufactured by the automated processes into a light-commercial vehicle followed by a field-testing are scheduled. / Die breite Markteinführung von wasserstoffbasierten Antriebssystemen verlangt zunehmend nach einer kosteneffizienten und serientauglichen Produktion von Brennstoffzellenstacks. So sehen die Ziele der Europäischen Union vor, die Herstellung von aktuell unter 100 Stacks pro Jahr auf 50.000 Stacks pro Jahr bis zum Jahr 2020 zu erhöhen. Um dies zu erreichen, sollen im Rahmen des vom Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking (FCH JU) der europäischen Union geförderten Projektes Fit-4-AMandA automatisierte Anlagen für solche Stückzahlen befähigt werden. Der Beitrag beschreibt, wie die bereits verfügbare Membran-Elektroden-Einheit (MEA) und der Stack bezüglich Herstellbarkeit und Automatisierung konstruktiv umgestaltet und angepasst wurden. Die neu entwickelte Technologie und das Maschinensystem für die automatisierte Montage von PEM-FC-Stacks sowie Verfahren der INLINE-Qualitätssicherung und der zerstörungsfreien Prüfung werden mit ihren Implementierungsmöglichkeiten in die automatisierte Fertigungsstrecke vorgestellt. Ein Ausblick gibt eine Übersicht über die weiteren Entwicklungsschritte wie die Validierung der Entwürfe, der Hard- und Software für die automatisierte Produktion der MEAs und Stacks. Eine vorgesehene spätere Integration der so gefertigten Stacks in ein Fahrzeug und die damit verbundenen Feldtests zur Untersuchung der Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der Stacks werden abschließend dargestellt. Die Förderung des Projektes erfolgt im Rahmen der Finanzhilfevereinbarung Nr. 735606 des FCH JU der EU.